5.5. Теплоэлектрические и тепломеханические датчики

Температуру нагретого тела, жидкости, газа определяют измерением физических параметров или самой контролируемой среды, или находящегося с ней в тепловом контакте специального элемента, воспринимающего изменение температуры.

В практике в качестве датчиков температуры используют обычно такие термовоспринимающие элементы, которые весьма существенно изменяют свои физические свойства в зависимости от температуры и незначительно подвержены влиянию других факторов, например, влажности, атмосферного давления, состава среды и т. п. В датчиках температуры широко применяют элементы, обладающие по возможности наибольшими значениями коэффициента теплового линейного или объемного расширения, температурного коэффициента сопротивления, термо-э.д.с., изменения интенсивности радиационных излучений, изменения давления, плотности и вязкости различных веществ в зависимости от температуры.

К датчикам, основанным на принципе теплового расширения жидкостей и газов, относятся жидкостные объемные и контактные термометры и манометрические термодатчики.

Жидкостные датчики состоят из стеклянной ампулы с капилляром и преобразуют изменение температуры Δtв изменение высоты столба жидкости в капилляре, которая определяется по формуле:

мм,

где — изменение объема жидкости;

S_k— сечение капилляра;

β — температурный коэффициент линейного расширения жидкости;

V— первоначальный объем жидкости;

α— температурный коэффициент линейного расширения материала ампулы и капилляра.

Входной величиной является температура жидкости, а выходной — высота столба жидкости, определяющая изменение омического, индуктивного и емкостного сопротивлений или изменение интенсивности светового потока.

Наиболее распространенные жидкостные датчики и реле температуры характеризуются простотой устройства и достаточной точностью измерения. Однако они недолговечны и не обеспечивают точности показаний в условиях вибраций.

Рис 5.10 Жидкостные датчики температуры.

Рис 5.11 Манометрические датчики температуры:

а –мембранный; б –сильфонный; в –с манометрической пружинной трубкой.

В манометрических датчиках температуры изменение объема жидкости и газа преобразуется в перемещение специальных мембран, сильфонов или манометрических трубок. На рисунке 5.3 показаны схемы манометрических датчиков. Датчики состоят из теплоприемника 4, соединительной капиллярной трубки3и измерительного элемента, представляющего собой специальную мембрану2, сильфон5или пружинную трубку6. Указательная стрелка, связанная с измерительным органом, движется по шкале температур1, замыкая контакты при предельных отклонениях температур.

Термодатчики манометрического типа позволяют осуществлять визуальное наблюдение за температурой контролируемой среды. Существенным их недостатком является значительная инерционность. Жидкостные термодатчики заполняются ртутью, ацетоном, эфиром, спиртом и их соединениями, а газовые — азотом и инертными газами.

Погрешность датчиков составляет 1 — 2,5%, пределы измерения ограничиваются температурами замерзания и кипения рабочей жидкости.

К датчикам, в основу которых положено свойство твердых тел изменять свои линейные размеры при изме­нении температуры, относятся биметаллические и дилатометрические реле температуры. На рисунке показана схема биметаллического термореле, воспринимающим органом которого служит биметаллическая спираль.

Рис 5.12 Биметаллические и дилатометрические датчики и реле температуры:

а-биметалическое спиральное реле; б-биметалическое пружинное реле с электроподогревателем; в-дилатометрический термодатчик.

Пластины спирали при нагреве удлиняются неодинаково, и поэтому происходит изгиб спирали в сторону металла с меньшим температурным коэффициентом. При определенной температуре контакты замыкаются. Существенным недостатком биметаллического термореле такой конструкции является медленное и неплотное замыкание и размыкание контактов, и как следствие этого — их подгорание. Для устранения этого недостатка изгиб биметаллической пластины обычно используется для освобождения пружины, воздействующей на размыкание или замыкание контактов.

У дилатометрического датчика стержень из металла с малым коэффициентом температурного расширения расположен внутри трубки, изготовленной из металла с большим коэффициентом теплового расширения, и одним концом жестко к ней прикреплен. Для уменьшения тепловой инерции в стенках трубки сверлятся отверстия. При изменении температуры трубка изменяет свою длину, вследствие чего происходит перемещение внутреннего стержня датчика. Со свободным концом стержня связана указательная стрелка.

Биметаллические и дилатометрические термодатчики не обеспечивают контроль за температурой точек, недоступных во время работы оборудования. Кроме того, им присущи большие погрешности, которые к тому же меняются в зависимости от внутренних деформаций металла. По этим причинам термодатчики подобного типа применяются весьма ограниченно, в основном для защиты электродвигателей от перегрева. Ток электродвигателя проходит либо по самой биметаллической пластине, либо по расположенным рядом с ней нагревательным виткам.

Для дистанционного замера и контроля температур в пределах от - 100 до 2000°С применяют термопары. Термопара состоит из двух специально подобанных проволок, одни концы которых спаяны или сварены, а другие подключаются к вторичному прибору. Если спаянный конец нагреть, то на свободных концах появляется так называемая термо-э.д.с., величина которой пропорциональна разности температур нагретого и свободных концов и зависит от материала проволок.В качестве материалов используются благородные металлы: платина, иридий, золото и их сплавы, а также сталь, никель, хромель, копель, алюмель, константен и их сплавы.

Впоследнее время большое распространение получили полупроводниковые термопары. Если для металлов величины термо-э. д. с. составляют всего 0,006 — 0,06 мв/град, то для полупроводниковых термопар они доходят до 0,1 — 1 мв/град, то есть превосходят первые в десятки раз.

Для измерения скорости изменения температуры применяются скоростные термопары, состоящие из двух последовательно соединенных термопар. На рисунке показана скоростная термопара, один спай которой помещен в термоизоляционную гильзу, а второй открыт. Так как термопары соединены последовательно и встречно, то при неизменной температуре термо-э.д.с. каждого спая взаимно равны и направлены навстречу друг другу.

Рис.5.13 Термопары и характеристики:

При изменении температуры термо-э.д.с. открытого спая будет следовать за изменением температуры безинерционно, а термо-э.д.с. спая, помещенного в гильзу, из-за тепловой инерционности гильзы меняется с большим замедлением. Вследствие этого на выходе появится разность термо-э.д.с., величина которой пропорциональна скорости, а знак соответствует знаку изменения температуры. Для того чтобы характеристика термопары U = f(t)проходила через начало координат, температура свободных концов стабилизируется и поддерживаетсяt₀= 0°С. Благодаря этому показания вторичного прибора (милливольтметра) зависят только от температуры контролируемой среды и не зависят от температуры точек присоединения прибора.

Термопары обладают существенными преимуществами перед другими датчиками температуры. Для них характерны эксплуатационная надежность, высокая точность измерений, простота конструкции, малая инерционность, возможность дистанционного наблюдения за температурой нескольких точек и ее записи с помощью вторичного прибора.

Принцип действия термометров сопротивления основан на использовании температурной зависимости сопротивлений металлов и полупроводников. Термометры сопротивления широко применяются в технике для измерения температур в пределах от - 200 до 700° С. Обладая теми же достоинствами, что и термопары, они, кроме того, позволяют получить на выходе большую мощность и хорошо согласуются со вторичными приборами.

Проволока 1металлических термометров сопротивления (рис. 5.6, а) изготовляется из чистых металлов (меди, железа, никеля, платины). Она наматывается на изоляционный каркас2и закрывается защитным кожухом3. Выводы5закреплены в изоляционной колодке4.

Рис.5.14 Терморезисторы:

Величина сопротивления проволоки следующим образом зависит от температуры:

oм,

где R₀— сопротивление проволоки при температуреt₀;

R_t— сопротивление проволоки при температуреt;

α - температурный коэффициент сопротивления, равный для металлов (3,7 - 6,5) * 10^-3.

Чувствительность металлического резистора

ом/град.

Сейчас в практике более распространены полупроводниковые терморезисторы (ПТР), воспринимающий орган 6 которых изготавливается из полупроводниковых материалов. ПТР обладают значительно большей чувствительностью и меньшими габаритами и инерционностью, чем металлические терморезисторы.

Имеются специальные герметизированные ПТР, которые могут работать в агрессивных средах и жидкостях.

Зависимость сопротивления терморезисторов от температуры показана на рисунке 5.6, в и определяется уравнением

ом,

где Т – температура, ºK;

R_∞ — сопротивление терморезистора при, ом;

В — постоянный коэффициент, характеризующий термочувствительность полупроводникового резистора.

Чувствительность полупроводникового резистора

ом/град.

Величину α называют температурным коэффициентом терморезистора:

Этот коэффициент для полупроводниковых резисторов отрицателен, зависит от температуры и по величине в 10 - 15 раз выше, чем у металлических резисторов.

Большая величина сопротивления полупроводниковых резисторов и их температурного коэффициента α дают возможность практически не считаться с сопротивлениями контрольной проводки и контактов. Это обеспечивает высокую точность измерений малых отклонений температуры на больших расстояниях.

В радиационных термодатчиках используются зависимости интенсивности и спектрального состава излучения от температуры излучающего тела. Они не имеют - непосредственного контакта с объектом, температура которого измеряется, и поэтому температурное поле объекта не искажается. Радиационные термодатчики отличаются от рассмотренных ранее относительной сложностью устройства и высокой стоимостью. Они применяются для измерения температур выше 800°С и не имеют верхнего температурного предела. В сельском хозяйстве они используются редко.

Пример.Определить температурную характеристику и чувствительность полупроводникового терморезистора типа КМТ-4 с номинальным сопротивлением 30ком, если его сопротивление при 323°К равно 7,5ком.

Решение. 1. Используя выражение, составим два уравнения для известных Т₁,T₂, R₂₉₃иR₃₂₃:

и

2. Определяем значение коэффициента Виз решения этих уравнений:

3. Подставляя найденное значение Вв одно из исходных уравнений, найдем, что

ком

4. Задаваясь значениями Т, находимR_tпо уравнению

Рассчитанная по данному уравнению температурная характеристика КМТ-4 показана на рисунке. Она полностью совпала с экспериментальной характеристикой.

5. Коэффициент чувствительности терморезистора определяем по уравнению

ком/град.

На рисунке показана зависимость от температуры, построенная по данному уравнению.